一种具有滞回特性欠压保护功能的超级电容充放电系统的制作方法

1.本发明涉及电能存储技术领域，尤其涉及一种具有滞回特性欠压保护功能的超级电容充放电系统。


背景技术：

2.现有超级电容的充放电系统以及超级电容的充放电过压保护的方法，均是针对提高超级电容可靠性提出的，没有考虑使用超级电容供电时整个电源系统的可靠性，而且超级电容能量使用效率也不够高。超级电容作为供电电源时，其电源类比于线性电源，而并非开关电源。针对这点，绝大多数应用中将超级电容经过dc
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dc升压芯片升压后再向负载供电。当系统主电源停（掉）电后，系统由超级电容升压后供电，此时，负载功率是稳定的，但超级电容两端电压是不断降低的，因此超级电容的放电电流不断增大，在超级电容能量不足以供负载工作时，系统进入假关机状态，负载变轻，升压芯片又满足工作条件，系统再次非控制开机，反复多次，直至超级电容能量耗尽。这种假关机
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非控制开机对数字系统是致命的，会导致系统逻辑混乱，甚至致命设备损坏。
3.公布号为cn110943429a的中国发明申请公开了本发明公开一种欠压保护电路，包括采样电路、控制电路、开关电路、滞回电路；与现有技术相比，采用电阻r4两端电压作为开关电路输入，并在开关电路输入回路串联稳压二极管d1，减少欠压保护电路损耗；pnp三极管集电极串接二极管d2、电阻r6形成稳定、精准、易调节的滞回电压。具有欠压保护电路开通关断控制精确、损耗降低、滞回电压精确易调节等优点，从而提升所应用电路整体的可靠性。
4.上述带滞回特性欠压保护电路适用于开关电源领域，用于控制开关电源控制ic的comp(或en)引脚，不适用于对超级电容的欠压保护。而且现有欠压保护电路组成复杂，需要额外供电电源。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是，提供一种简单的，能够避免系统主电源停（掉）电后，系统由超级电容升压后供电过程中，因超级电容能力不足而发生假关机
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非控制开机现象的超级电容充放电系统。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种具有滞回特性欠压保护功能的超级电容充放电系统，包括充电单元、超级电容模组、欠压保护单元、升压单元、均压保护单元以及电源监测单元，所述充电单元分别连接主电源和所述超级电容模组，所述电源监测单元分别连接主电源和所述升压单元，所述均压保护单元连接超级电容模组，所述欠压保护单元分别连接所述超级电容模组和所述升压单元，所述欠压保护单元包括第一稳压二极管、第二稳压二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一电阻、第二电阻，所述第一开关管的控制端通过所述第一电阻连接所述第一稳压二极管的阳极和所述第二开关管的第二端，所述第一开关管的第一端接地，所述第一开关管的第二端连接所述第三开关管的控制端，所
述第二开关管的控制端通过所述第二电阻连接所述第三开关管的控制端，所述第二开关管的第一端连接所述第一稳压二极管的阴极，所述第一稳压二极管的阴极连接所述第二稳压二极管的阳极，所述第二稳压二极管的阴极连接所述第三开关管的第一端和所述超级电容模组的正极输出，所述第三开关管的第二端连接所述升压单元的输入端。其特征在于，所述充电单元包括dc/dc电源芯片、双运算放大器、采样电阻、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第三反馈电阻、第四反馈电阻、第一输出调节电阻、第二输出调节电阻、电感，所述dc/dc电源芯片的输出端通过所述电感连接电源vcc，所述采样电阻一端接电源vcc，所述采样电阻的另一端接所述超级电容模组正极，所述第一反馈电阻一端接所述采样电阻，所述第一反馈电阻另一端接所述双运算放大器其中之一运算放大器的反向输入端并通过所述第二反馈电阻接所述双运算放大器其中之一运算放大器的输出端，所述第三反馈电阻一端接电源vcc，所述第三反馈电阻另一端接所述双运算放大器其中之一运算放大器的同向输入端并通过所述第四反馈电阻接地，所述第一输出调节电阻一端接电源vcc，所述第一输出调节电阻另一端接所述双运算放大器其中之二运算放大器的同向输入端并通过所述第二输出调节电阻接地，所述双运算放大器其中之二运算放大器的反向输入端与所述双运算放大器其中之二运算放大器的输出端连接，所述双运算放大器的输出端连接所述dc/dc电源芯片的反馈输入端。
7.更进一步，所述欠压保护单元还包括第三电阻、第四电阻、第一电容，所述第一开关管为npn三极管，所述第一开关管的第一端为npn三极管的发射极，所述第一开关管的第二端为npn三极管的集电极，所述第二开关管为pnp三极管，所述第二开关管的第一端为pnp三极管的发射极，所述第二开关管的第二端为pnp三极管的集电极，所述第三开关管为pmos管，所述第三开关管的第一端为所述pmos管的源极，所述第三开关管的第二端为所述pmos管的漏极，所述npn三极管的基极通过所述第三电阻接地，所述第四电阻和所述第一电容并联连接在所述pmos管的栅极和源极之间。
8.更进一步，所述第一稳压二极管的稳压值vd2、所述第二稳压二极管的稳压值vd3、所述npn三极管的发射结导通电压vv6、所述欠压保护单元的最高保护电压vth、所述欠压保护单元的最低保护电压vtl之间的关系为：vth=vd3+vd2+vv6，vtl=vd3+vv6。
9.更进一步，所述欠压保护单元的最高保护电压vth为4.2v，所述欠压保护单元的最低保护电压vtl为2.2v，所述第一稳压二极管的稳压值vd2为2v，所述第二稳压二极管的稳压值vd3为1.8v，所述npn三极管的发射结导通电压vv6为0.4v。
10.更进一步，所述dc/dc电源芯片型号为tps54339，所述双运算放大器为单电源运算放大器。
11.更进一步，所述均压保护单元包括电压检测芯片、mos管、泄放电阻，所述电压检测芯片电压输入端连接所述超级电容模组的超级电容单体正极，所述电压检测芯片接地输入端连接所述超级电容模组的超级电容单体负极，所述电压检测芯片输出端连接所述mos管栅极，所述mos管漏极通过所述泄放电阻连接所述超级电容模组的超级电容单体正极，所述mos管源极连接所述超级电容模组的超级电容单体负极。
12.更进一步，所述电压检测芯片的阈值电压为2.5v，滞回电压为0.05v。
13.更进一步，所述电源监测单元包括第一分压电阻、第二分压电阻、加速电路、保护二极管、电压检测芯片、限流电阻、加速泄放电路、mos管，所述加速电路的一端通过所述第
二分压电阻连接电源输入端vin并通过所述第一分压电阻接地，所述加速电路的另一端连接所述电压检测芯片的电压输入端，所述电压检测芯片的输出端通过所述限流电阻连接所述mos管的栅极，所述mos管的漏极输出掉电信号，所述mos管的源极接地，所述保护二极管的阳极接地，所述保护二极管的阴极连接所述电压检测芯片的电压输入端，所述加速泄放电路与所述限流电阻并联。
14.更进一步，所述加速电路由加速电路电阻与加速电路电容并联组成，所述加速泄放电路由二极管与泄放电路电阻组成，所述二极管的阳极与所述泄放电路电阻的一端连接，所述泄放电路电阻的另一端连接所述mos管的栅极，所述二极管的阴极连接所述电压检测芯片的输出端。
15.本发明的有益效果在于：当超级电容模组电压增加到等于欠压保护单元的最高保护电压vth=vd3+vd2+vv6时，npn三极管v6导通，pmos管v8栅极拉低导通，超级电容模组对外供电。当超级电容模组对外供电时，pnp三极管v7处于导通状态，稳压二极管d2被旁路，当超级电容模组电压降低到欠压保护单元的最低保护电压vtl=vd3+vv6时，npn三极管v6截止，pmos管v8栅极拉高截止，超级电容模组停止对外供电。该技术方案通过带滞回特性欠压保护单元电路系统，避免了超级电容升压后供电过程中，因超级电容能力不足而发生假关机
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非控制开机现象，消除了超级电容供电时的震荡影响，提高了超级电容供电系统的可靠性。另外，充电单元采用恒流恒压充电，相比现有恒压充电，充电效率更高，对超级电容寿命影响更小；掉电检测电路具备加速特性，响应速度快，电源切换更可靠。
附图说明
16.图1是本发明实施方式的结构图。
17.图2是图1中欠压保护单元的电路图。
18.图3是图1中充电单元的电路图。
19.图4是图1中均压保护单元和超级电容模组的电路图。
20.图5是图1中电源监测单元的电路图。
具体实施方式
21.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和
ꢀ“
包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
23.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
24.如图1所示，一种具有滞回特性欠压保护功能的超级电容充放电系统，包括充电单元1、超级电容模组2、欠压保护单元3、升压单元4、均压保护单元5以及电源监测单元6，所述充电单元1分别连接主电源和所述超级电容模组2，所述电源检测单元6分别连接主电源和
所述升压单元4，所述均压保护单元5连接超级电容模组2，所述欠压保护单元3分别连接所述超级电容模组2和所述升压单元4。主电源通过充电单元1给超级电容模组2充电，超级电容模组2通过欠压保护单元3连接升压单元4，升压单元4将超级电容模组输出电压升压后作为系统供电电源，同时升压单元4的使能受电源监测单元6控制，保证主系统电源正常工作时禁止输出，当主系统电源掉电时，再由超级电容供电。
25.如图2所示，图1中欠压保护单元电路由2个稳压二极管d2、d3、npn三极管v6、pnp三极管v7、pmos管v8、4个电阻r16、r17、r18、r19、电容c9组成，所述稳压二极管d3的阴极连接所述超级电容模组的正极输出v_cap，所述稳压二极管d3的阳极连接所述所述稳压二极管d2的阴极，所述稳压二极管d2的阳极通过所述电阻r16连接所述npn三极管v6的基极，所述pnp三极管v7的发射极连接所述稳压二极管d2的阴极，所述pnp三极管v7的集电极连接所述稳压二极管d2的阳极，所述pnp三极管v7的基极通过所述电阻r18连接所述pmos管v8的栅极，所述npn三极管v6的基极通过所述电阻r17接地，所述npn三极管v6的发射极接地，所述npn三极管v6的集电极连接所述pmos管v8的栅极，所述pmos管v8的源极连接所述超级电容模组的正极输出v_cap，所述所述pmos管v8的漏极连接所述升压单元的输入端，所述电容c9和所述电阻r19并联在所述pmos管v8的漏极和栅极之间。所述欠压保护单元的最高保护电压vth为4.2v，所述欠压保护单元的最低保护电压vtl为2.2v，所述稳压二极管d3的稳压值vd3为1.8v，所述稳压二极管d2的稳压值vd2为2v，所述npn三极管v6的发射结导通电压vv6为0.4v。当v_cap在升压过程中，当电压增加到1.8v（稳压二极管d3的稳压值vd3）+2v（稳压二极管d2的稳压值vd2）+0.4v（npn三极管v6的发射结导通电压）=4.2v时，npn三极管v6导通，pmos管v8栅极拉低导通，电路对外供电。电路对外供电时，pnp三极管v7处于导通状态，稳压二极管d2被旁路，当v_cap降低到1.8v（稳压二极管d3的稳压值vd3）+0.4v（npn三极管v6发射结导通电压）=2.2v时，npn三极管v6截止，pmos管v8栅极拉高截止，电路停止对外供电。欠压保护单元电路通过分立元件实现了滞回特性，最高保护电压vth=4.2v，最低保护电压vtl=2.2v，滞回电压vhy=2v。消除了超级电容供电时的震荡影响，提高了超级电容供电系统的可靠性。
26.如图3所示，图1中充电单元的电路包括型号为tps54339的dc/dc电源芯片u1、双运算放大器d1、采样电阻r1、反馈电阻r3、r6、r5、r7、输出调节电阻r8、r10、电感l1、二极管v2、电阻r9、r11、电容c1、c2、c3、c4、c5，所述dc/dc电源芯片u1的输出端sw通过所述电感l1连接电源vcc，所述采样电阻r1一端接电源vcc，所述采样电阻r1的另一端接所述电容模组正极，所述反馈电阻r3一端接所述采样电阻r1，所述反馈电阻r3另一端接所述双运算放大器d1其中之一运算放大器d1a的反向输入端并通过所述反馈电阻r6接所述双运算放大器d1其中之一运算放大器d1a的输出端，所述反馈电阻r5一端接电源vcc，所述反馈电阻r5另一端接所述双运算放大器d1的d1a同向输入端并通过所述反馈电阻r7接地，所述输出调节电阻r8一端接电源vcc，所述输出调节电阻r8另一端接所述双运算放大器d1其中之二运算放大器d1b的同向输入端并通过所述输出调节电阻r10接地，所述双运算放大器d1的d1b反向输入端与所述双运算放大器d1的d1b输出端连接，所述双运算放大器d1的d1a输出端连接二极管v2的阳极，二极管v2的阴极连接所述dc/dc电源芯片u1的反馈输入端fb，所述双运算放大器d1的d1b输出端通过电阻r11接地并通过电阻r9连接所述dc/dc电源芯片u1的反馈输入端fb，dc/dc电源芯片u1的vin引脚连接主电源vin并通过电容c1、c2接地，vin引脚与en引脚之间串接
电阻r2，en引脚通过电阻r4接地，ss引脚通过电容c4接地，vreg引脚通过电容c5接地，bst引脚通过电容c1连接电感l1。d1a是反馈调节电路，当充电电流大于设定值，采样电阻r1两端电压升高，差分输入增加，fb网络电压升高，dc/dc电源芯片u1输出电压降低，充电电流降低，差分输入降低，fb网络电压降低，进而实现恒流。d1b为跟随器，起到隔离作用。通过调节r3与r6、r5与r7的比例，可实现充电电流的调节。
27.图1中均压保护单元和超级电容模组的电路图如图4所示，超级电容c6、c8串联组成超级电容模组，电压检测芯片v1、mos管v3、电阻r12、r13构成超级电容c6的均压保护电路，电压检测芯片v4、mos管v5、电阻r14、r15构成超级电容c8的均压压保护电路，电阻r12、r13及电阻r14、r15为泄放电阻，电容c7为瞬态响应电容。电压检测芯片v1、v4型号为xc61cc2502，阈值电压为2.5v，滞回电压为0.05v。以超级电容c6均压保护为例，当被保护超级电容c6两端电压高于2.55v时，电压检测芯片v1输出高电平，mos管v3导通，保护电路工作，电流通过泄放电阻r12、r13分流，进而实现对c6的保护。
28.图1中电源监测单元的电路图如图5所示，电阻r21、r22为分压电阻，电阻r25与电容c14组成加速电路，v11为保护二极管，v10为电源监测芯片xc61cc3002，r27为限流电阻，二极管v13与电阻r29组成加速泄放电路，v12为开关mos管。当主电源vin工作正常时，，电源监测芯片v10输出电压为高，mos管v12导通，掉电监测信号pwr_down为低电平；当主电源vin掉电，电压降低，满足时，电源监测芯片v10输出低电平，mos管v12截至，掉电监测信号pwr_down为高电平。由于vin为开关电源输出的直流，当掉电时，由于加速电路的存在，电源监测芯片v10的输入快速降低，电源监测芯片v10输出低电平，由于二极管v13及电阻r29泄放电路存在，mos管v12加速关闭。
29.本发明实施例可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
30.实施例对本方案进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。